功率模块封装关键技术详细介绍与国产封装发展情况分析

一、功率模块封装关键技术

1. 互连技术

互连技术是功率模块封装的核心环节，直接影响模块的可靠性和性能：

• 传统互连方式：金线、铝线、银线、金银合金线、铜线等用于键合

• 发展趋势：

• 向铜线键合、无引线键合、无IMC连接(如Cu-Cu键合)方向发展

• Infineon在低功率设备中已广泛使用铜线键合工艺，成本更低且性能保证

• Semikron 3D Skin技术：使用银烧结技术，将引线替换为柔性PCB箔，功率循环性能提升约70倍

• 富士电机针对SiC MOSFET功率模块，开发无铝丝模块为基础的封装结构

2. 焊接技术

焊接是芯片与DBC基板之间、DBC基板与铜底板之间的关键技术：

• 传统焊接：焊料焊接，但存在热膨胀系数不匹配导致的热应力问题

• 新型焊接技术：

• 扩散键合技术(包含扩散焊接和低温烧结技术)

• 纳米银焊膏：导电性能好、导热系数高、高温可靠性好、机械强度高、抗疲劳性良好

• 金基焊料、纳米银铜合金等新型焊料

• 银烧结工艺：特别适用于SiC模块，充分发挥其耐高温优势

3. 热管理技术

热管理是功率模块封装的关键挑战：

• 双面冷却(DSC)：芯片上下表面均接触散热结构，散热效率提升50%-100%，功率密度达300W/cm³以上

• 嵌入式封装：芯片嵌入PCB或陶瓷基板，缩短热路径，SiC模块能量损耗可降60%

• 先进热界面材料(TIM)：液态金属、烧结银替代传统硅脂，热阻降30%-50%

• 顶部散热封装：如QDPAK/TOLT，热量从顶部导出，减小PCB热应力

4. 基板技术

• DBC基板：直接覆铜基板，满足功率器件内互联和导热散热需求，同时具备绝缘性

• AMB基板：活性金属钎焊基板，替代DBC，耐高温与可靠性更高，成为车规SiC模块主流

• 基板材料升级：AlN/Si₃N₄陶瓷基板替代Al₂O₃，导热率提升2-3倍(AlN达170W/m·K)

5. 封装材料技术

功率模块封装材料分为三大类：

• 有机材料：有机硅凝胶(高弹性、低应力、耐温性好)、环氧树脂(重要绝缘材料)

• 金属材料：铜、铝等用于基板和散热

• 陶瓷材料：Al₂O₃、AlN、Si₃N₄等用于基板

• SLC封装技术：集合一体化绝缘金属基板(IMB)和直接树脂灌封(DP Resin)的新型封装技术，极大提高模块热冲击和热循环能力

6. 主流封装工艺类型

根据应用场景和功率等级，功率模块封装工艺主要分为三类：

a. 智能功率模块(IPM)封装工艺：

• 纯框架银胶装片类：基于传统IC封装方式，采用铜线内互联和全塑封，适用于小功率家电电源、水泵调速变频控制

• 纯框架软钎焊和银胶混合装片类：具有散热片(一般为陶瓷)，功率芯片采用粗铝线，芯片控制部分采用金铜线内互联，适用于白电变频调控

• 焊料装片DBC类：集成度高，采用SMT技术将功率芯片和被动元器件集成封装，适用于大功率场合

b. 灌胶盒封功率模块封装工艺：

• 采用DBC、粗铝线或粗铜线键合、铜片钎接等工艺

• 焊料装片或银烧结工艺，端子采用焊接压接方式

• 灌入导热绝缘混合胶保护，塑料盒外壳

• 适用于大功率工业品和汽车应用场景

c. 结合前两种优势的功率模块封装工艺：

• 采用DBC、铜柱、焊料装片或银烧结工艺

• 打线或铜片钎接内互联，塑封形成双面散热通道

• SiC模块发展趋势：采用银烧结代替焊料，采用铜(铜线、铜片)做内互联代替粗铝线

二、国产封装发展情况分析

1. 国产封装设备技术突破

2025年度国产半导体封装设备技术取得显著进展：

• 翰美半导体(无锡)：专注于高端半导体封装设备，真空回流焊接系统极限真空度达10Pa，解决焊接空洞率控制难题

• 华东地区精密设备制造商：深耕精密加热与真空控制技术，真空度可达50Pa以下

• 华南地区自动化装备企业：模块化真空焊接系统支持快速换型，升温速率可达5℃/秒

• 北方科技装备研究院：开发实验室级真空共晶焊接平台，支持新型焊料工艺探索

• 西南地区智能制造集团：智能真空回流焊系统内置AI工艺优化算法，平均无故障运行时间超3000小时

2. 国产封装材料进展

• 材料国产化现状：功率模块封装材料国外供应商以美、德、日为主，国产化势在必行

• 研究进展：

• 对国产有机硅凝胶、环氧灌封胶以及一体化金属基板进行封装测试

• 湖南省功率半导体创新中心对大功率半导体模块封装材料国产化进行有益探索

• SLC封装技术引入的IMB基板去掉了绝缘层与铜底板之间的焊接层，消除热疲劳点

• 挑战：国产封装材料测试平台、工艺验证平台和模块验证实验平台明显缺乏

3. 国内企业技术进展

• 扬杰科技：

• IGBT模块研发推出1200V与650V系列产品，性能对标国际厂商

• 车规级封装产能实现5倍以上增长

• 第三代半导体产品SiC SBD已量产

• IGBT、FRD晶圆产能实现3倍以上增长，MOSFET、TMBS晶圆产能实现50%以上增长

4. 国产封装技术挑战与展望

• 技术挑战：

• 封装材料测试平台、工艺验证平台和模块验证实验平台缺乏

• 高端封装设备与材料仍依赖进口

• 封装工艺与国际先进水平仍有差距

• 发展趋势：

• 从"能用"到"好用"的跃迁，真空度控制、温场均匀性、自动化集成水平已具备与进口设备同台竞技的实力

• 低寄生、高散热、宽禁带适配、智能集成与高可靠成为创新方向

• 双面散热塑封功率模块和高压PCB嵌入式封装成为创新方向，如舍弗勒推出的高压PCB嵌入式功率模块适配新能源汽车800V高压平台

• 发展建议：

• 加强材料研究、机理研究及应用研究

• 建立完善的材料验证、工艺验证和模块测试平台

• 增强国产封装材料开发人、封装企业、模块应用端企业的信心，推动大功率半导体模块封装国产材料的全方位发展

功率模块封装技术正朝着高功率密度、高可靠性、高集成度方向发展，国产封装技术虽已取得显著进展，但仍需在材料、设备、工艺等方面持续创新，以满足新能源汽车、光伏逆变器、5G基站等高端应用领域的需求。

功率模块清洗- 锡膏助焊剂清洗剂介绍：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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